【正文】 這次設計可以說是我大學最后的一門課了，其中包含的只是實在是太多了，讓我知道了學海無涯的道理，活到老學到老。 42 43 44 圖 72 PLC梯形圖 45 8 結論 PLC 控制的兩工位芯模搬運機械手的設計，并不是一個簡單的 過程，但是作為一名機械電子工程的學生，設計一個機械手作為畢業(yè)設計課題是再適合不過了，它需要學生在完成了機械類有關的基礎課程以及自己的專業(yè)課程后，通過設計，把之前學的課程（機械原理、機械設計、理論力學、液壓與氣壓控制、測試技術、工業(yè)機器人、PLC 基礎與設計、機電一體化設計等）所有的理論知識在設計完美的加以運用并結合在一起，讓學生在設計中提升對問題的分析能力和機械結構的綜合設計能力。機械手放下物品經(jīng)過延時，一個工作循環(huán)完成。機械手伸出到達伸出限位 2， SQ6動作，機械手 開始下降。機械手收縮到收縮限位收縮結束， SQ7動作，機械手開始右轉。機械手抓物延時 1S，機械手開始做上升運動。機械手左轉到左限位， SQ2 動作，左旋轉結束，機械手開始伸出。 I/O 點數(shù)分配表 表 71 PLC i/o分配表 38 輸入 輸出 SQ1 X000 回轉電機開關 KM1 Y001 電機右轉 SQ2 X001 KM2 Y002 電機左轉 SQ3 X002 手臂上升 /下降開關 YA1 Y003 手臂上升 SQ4 X003 YA2 Y004 手臂下降 SQ5 X004 手臂伸縮開關 YA3 Y005 手臂伸開 SQ6 X005 YA4 Y006 手臂收縮 SQ7 X006 YA5 Y007 夾緊與放松 開關 0 X007 單步 開關 1 X0010 循環(huán) 開關 2 X011 手動啟動 開關 3 X012 手動復位 開關 4 X013 手動到遠點 開關 5 X014 緊急停止 PLC 控制系統(tǒng)的流程圖和梯形圖 機械手在原始位置時對 SQ1 動作，按下啟動按鈕，機械手松開，機械手開始上 升。 （ 11）下降到下限位置， SQ4 動作，機械手松開，放下物品。 （ 9）機械手到達右限位， SQ1 動作，右 旋結束，機械手開始伸出。 （ 7）機械手升到到上限位置， SQ3 動作，上升結束，機械手收縮。 （ 3）機械手左轉道左限位， SQ2 動作，左旋轉結束，機械手開始伸出。 （ 4）功能完善，擴充方便組和靈活 （ 5）較少了控制系統(tǒng)設計及施工的工作量 控制過程說明 （ 1）機械手在原始位置時對 SQ1 動作，按下啟動按鈕，機械手松開， 機械手手臂上升。 PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制電路的梯形圖形式，低使用者來說不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。對于一個控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)工藝改變或者生產(chǎn)線設備更新的情況下，不必改變 PLC 的硬件設備，只需改變程序就可滿足變更控制功能的要求。 37 （ 2）控制程序可變，具有很好的柔性。它可在惡劣的工業(yè)環(huán)境下與強電設備儀器工作，運行的穩(wěn)定性和可靠性較高。 PLC 是屬于存儲程序控制的一種裝置，其控制功能是通過存放在存儲器內的程序來實現(xiàn)的，若要對控制功能作修改，在很大程度上只需改變軟件指令即可，使得硬件軟件化。利用單向節(jié)流閥來控制各個動作的速度。 氣動邏輯元件是通過可動部件的動作，進行元件切換而實現(xiàn)邏輯功能的。 空氣控制閥是氣動控制元件，它的作用是控制和調節(jié)氣路系統(tǒng)中壓縮空氣的壓力、流量和方向，從而保證氣動執(zhí)行機構按規(guī)定的程序正常地進行工作。氣缸是利用壓縮空氣的壓力能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。 氣壓系統(tǒng)的組成 壓縮空氣是保證氣動系統(tǒng)正常工作的動力源。 （ 2）空氣的粘性很小，管路中壓力損失也就很少，便于輸送。 34 圖 54 回轉支承能力曲線圖 6 氣壓系 統(tǒng)設計 本機械手主要以壓縮空氣為動力源驅動的機械手，用氣壓驅動與用其他能源驅動比較有以下優(yōu)點： （ 1）空氣取之不竭，用過之后排入大氣，不需要回收和處理，不污染環(huán)境。4(1 .2 2 5 2 .6 7 6 )(1 .2 2 5 8 0 0 2 .6 7 6 5 0 ) 1 .5 50 .1 7 1 0a a t aF F F fN??? ? ? ? ??? (519) 39。4(1 .2 2 5 2 .6 7 6 )(1 .2 2 5 8 0 0 2 .6 7 6 5 0 ) 1 .2 50 .1 4 1 0a a t aF F F fN??? ? ? ? ??? (517) 39。 （ 1）按靜態(tài)工況選型： 取α =45176。 單排四點接觸球式轉盤軸承由兩個座圈組成，結構緊湊、重量輕、鋼球與圓弧滾道四點接觸，能同時承受軸向力、徑向力和傾翻力矩。60 hnLPC ? （ N） (516) 因為 C=Cr，所以選擇 51000 型軸承滿足要求 。 由滾動軸承樣本查得 6008 型軸承，當量動載荷可按下式計算： 當 Fa/Fr 時： P=Fr+ (512) 當 Fa/Fr 時： P=+ (513) 33 因 Fa/Fr，且工作沖擊較小，取載荷系數(shù) fp=，則： P=fp(XFr+YFa)= (514) 計算預期壽命 hL39。已知軸承的轉速為 n=70176。可承受較大的軸向力載荷 ，很符合我的設計要求。在機械手中軸承的選擇即顯得尤為重要。 其他主要零件的選用 軸承 是在機械傳動過程中起固定和減小載荷摩擦系數(shù)的部件 。 則啟動角速度 w? =,啟動時間設計為 = = 32. 116t = MwMJ ? ?? ?慣 又有功率的計算公式： w=9550TnP ? (511) 根據(jù)任務要求機械手轉速為 90176。 手臂的轉動慣量： 221= 3 + L )12J m R臂 （ (58) 2 2 21= 3 1 . 3 + 0 . 6 ) 1 3 . 612J k g m? ? ? ?臂 30 （ 將上半機身看似一個半徑為 120mm 的圓柱，重量為 30KG，由于其轉動中心與電機的轉動中心同軸。 電動機的設計和計算 當機械手回轉時，其力矩主要為慣性力矩，先求出各部分的轉動慣量。 根據(jù)實際情況和各項優(yōu)缺點，對 于機械手我選擇使用交流電動機中的 Y 系列的三相異步電動機來實現(xiàn)整個機械手的回轉運動。 常用的交流電動機有三相異步電動機和同步電動機。在相同的體積，比交流電機的輸出功率直流高出 10％ ? 70％。直流電動機結構復雜，制造困難，鋼鐵材料消耗，生產(chǎn)成本高。 電動機類型的選擇 長期以來，在高速性能要求的場合，一直主導地位的是直流電動機調速系統(tǒng)中的 31 應用。 升降缸行程的選擇 由《機械設計手冊》氣壓缸的行程參數(shù)系列 ,選擇升降氣壓缸的行程 S=800mm。 （ 5）液壓缸回油腔低壓油液所造成的阻力： 一般的背壓阻力較小，可按 F 回 =。 （ 2）摩擦力的計算： 1=2 RF F f摩 （ 54） 12 4 0 0 0 . 3 0 8= = 4 0 0 4h 0 . 0 4 1RR Gp NmF F Nm???總 1=2 f =2 40 04 6= 12 81 .2RF F N??摩 （ 3）慣性力的 計算： =GFgt???慣 （ 55） 式中 ?? ──由靜止加速到常速的變化量，由于此機械手屬于中小型裝置，取?? =4m/min， t? ── 啟動過程時間，本設計取 。 （ 1）粗略計算運動部件總重力： 由前面設計的小手臂、手爪以及工件 的重量，可以大約估計小手臂伸縮液壓缸活塞桿尺寸為 ? 130mm，手臂液壓缸活塞桿總長 1000mm。 ++p G p G p GpG? 手 抓 手 抓工 件 工 件 手 臂 手 臂總 (51) P總 =308mm，所以回轉半徑為 308mm。 28 圖 52 手臂各部件重心位置圖 （ 1）零件重量 G 工件、 G 爪、 G 臂等，現(xiàn)在對機械手手臂做粗略估算： G 工件=， G爪 = 5Kg， G 臂 =，估算 G總 =。當進氣口 1 進氣后，帶動 2活塞和 3 活塞桿做向上升的直線運動，從而帶動 4 連接板 的動作，間接使得手臂做上升的運動， 5 導向桿起到支撐和導向作用。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。一般實現(xiàn)手臂的回轉和升降運動，這些運動的傳動機構都安在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。 l=330mm,故無需校核。 確定氣缸的結構尺寸： 氣缸的內徑的計算，如圖 422 所示 圖 422 雙作用液壓缸示意圖 當空氣進入無桿腔時： 21== 4F F p??π D （ 46） 式中傳動效率 ? 當空氣進入有桿腔： 222 d )== 4F F p??π （ D （ 47） 故 14FD P??? （ 48） 625231 .1 3 0 .0 7 8 5 20 .9 5 0 .5 5 1 0Dm? ? ??? 根據(jù)表 41 氣缸內徑 選用表以及機械手冊中的規(guī)定 D 取 80mm 25 表 41 氣缸內徑選用表 氣缸內徑（ mm） 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 （ 2） 氣缸外徑的設計： 根據(jù)裝配等因素，考慮到氣缸的臂厚在 14mm，所以該氣缸的外徑為 108mm. （ 3） 活塞桿的計算校核： 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。 一般的背壓阻力較小 在這取 = 。 公式中： 鋼對鑄鐵：取 ~ ， 鋼對青銅：取 ~ ， 導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇鑄鐵 ? = ? = 通過實際情況計算得： G 總 =420N， L==， a=54mm= 2 0 . 1 5 1 + 0 . 0 5 4= 4 2 0 0 . 3 = 2 5 0 4 . 2 50 . 0 5 4FN???摩 （ ） 設計要求 V＜ 250mm/s，本設計設手臂平動是 =5m/ iV mm ，設置氣動時間t ?? ，氣動速度 v /v m s? ? ? = gtGvF ??總慣 （ 45） 4 2 0 0 . 0 8 3= = = 1 7 . 7 7 Ng t 9 . 8 / g 0 . 2Gv NSF N K S? ???總慣 密封裝置的摩擦阻力 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用 O 型密封，由于工作壓力小于 10Mpa。 圖 41 機械手臂部受力示意圖 計算如下： 由于導向桿對稱配置 ，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。上圖是機械手的手臂示意圖，本設計是雙導向桿，導向桿對稱配置在伸縮崗兩側。 = + + +P驅 P慣 P摩 P封 P背 (41) 式中： P 慣 手臂在啟動過程中的慣性力， P 摩 摩擦阻力， P 封 密 22 封裝置處的摩擦力， P 背 氣缸非工作腔壓力所造成的阻力。 做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅動力根據(jù)液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力， 來確定 液壓缸所需要的驅動力。 手臂直線運動的驅動力計算 先進行粗略的估算，或類比同類結構，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關機構的主要尺寸，再進行校核計算，修正設計。 （ 4） 活 塞桿和齒輪齒條機構。 （ 2） 手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結構。升降運動由活塞驅動，靠立柱上平鍵導向，缸體沿導向套在